内置液性塑料式小径磁力滚压刀具研究*

梁 星，姚新改*，李 昂

（1.太原理工大学 机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重点实验室，山西 太原 030024）

0 引 言

磁力滚压技术，一种新型无切屑光整加工工艺。长型非导磁不锈钢管内表面加工的特殊要求催生了磁力滚压技术。磁力滚压技术借助磁场变换来完成力和力矩的加载，使得刀具能够实现对工件的表面光整，主要体现为表面粗糙度值Ra的降低。前期研究主要是针对磁力滚压的机理进行的探索[1]，研发了一代磁力滚压系统和滚压刀具，并验证了其可行性；申金龙[2]基于基尔霍夫第二定律做出了等效磁路图，对磁力系统进行了优化，并研发了第二代滚压刀具，使得工件表面粗糙度Ra降到了0.3。

但是磁场强度的不均匀性、刀具安装误差、工件内表面工况变化，都会导致在滚压过程中工件受力不均，加工效果难以达到要求。

根据以上现状，本文提出一种内置液性塑料式磁力滚压刀具，利用其均匀传压的特性，以保证滚压过程中滚压力分布均匀。

1 磁力滚压加工机理分析

影响磁力滚压加工效果的因素主要分两部分。内部因素主要包括工件材料表面层状态、前加工表面微观形貌及粗糙度值。外部因素包括轴向进给速度、永磁铁规格、滚压转速、滚压次数、冷却液的影响等。滚压力是影响磁力滚压加工效果的最直接的参数，本文拟从滚压受力机理出发，对磁力滚压的影响因素进行分析。

滚压受力机理图如图1所示。

图1 滚压受力机理图

图1中的滚压加工中，滚压力最终表现为滚压过盈量[3]。磁力滚压过盈量存在一个最适区间，过盈量过大则工件表面出现波纹，过盈量过小，加工效果不明显。

磁力滚珠滚压过盈量关系式如下：

（1）

式中：d—滚压过盈量；Fm—磁引力；m—滚压刀具质量；r1—运动半径；ω—滚压刀具转速；μ—工件材料泊松比；σ—工件材料屈服强度。

由上式可知，滚压过盈量d与磁引力Fm及滚压工具转速ω正相关，其中，Fm是其主要影响因素。

现有的第二代磁力滚压刀具，其轴向分布的不同的滚珠的滚压力存在差异，使得各滚珠受力时滚压过盈量不一致，从而引起塑性变形的不均匀。晶粒细化分布差异，一定程度上制约了表面粗糙度值Ra的进一步降低。内置液性塑料式滚压刀具的提出均衡了各滚珠滚压力，以获得更优的表面质量。

2 内置液性塑料式滚压刀具设计

2.1 液性塑料优化机理

液性塑料，一种自行配置的化学制品，常温下呈冻胶态，具备一定的弹性和机械强度，兼具流动性与成形性，传递压力性能良好。

液性塑料成分表如表1所示。

表1 液性塑料成分表

根据液性塑料的不可压缩、均匀传压的特点，笔者设计了一套内置液性塑料式新型滚压刀具。

滚压刀具结构示意图如图2所示。

图2 滚压刀具结构示意图1-工件；2-滚珠；3-永磁铁；4-尼龙；5-液性塑料；6-顶销

滚压加工中，在磁场分布、工况变化等多因素的共同作用下，致使轴向排布的两个滚珠在滚压过程中受到不同的滚压力。根据帕斯卡定律，加在密闭液体上的压强，能够大小不变地传递到液体的各个方向。将液性塑料安置于滚珠下腔体，滚珠滚压过程中受到不同的滚压力，工件对滚珠的滚压力通过顶销传递至液性塑料，控制体受力进行非定常流动，再次达到稳态时，各滚珠与工件接触处所受应力均匀。

2.2 滚压刀具主要参数

新型滚压刀具主要包含以下4个部件：

（1）永磁铁。永磁铁作为场源，直接决定磁磁力线分布和磁力的大小，为保证滚压加工效果，控制磁力使工件处于塑性变形区。本文以小径不锈钢管为具体研究对象，其结构的特殊性要求在有限空间内容纳尽可能多的永磁铁，提高气隙磁密，故选用矩形永磁铁[4]。

永磁铁径向充磁长度计算公式如下[5]：

（2）

式中：hM—永磁铁径向充磁长度，取hM=5 mm；ur—相对回复磁导率；Br—剩磁；Bδ—气隙磁密；δi—气隙长度。

（2）滚珠。小管几何外形制约了永磁铁的使用，磁引力调节范围有限，要获得理想的压力，接触面积要求尽量小，故优先选用滚珠滚压。磁力滚压对滚珠要求要有较高的硬度、耐磨性、低导磁率，故本文选用SIC陶瓷滚珠。

加工表面粗糙度与滚珠直径的解析式为[6]：

（3）

式中：Ra—表面粗糙度；fz—轴向进给速度；rw—滚珠直径。

由上述解析式可知，滚压加工表面粗糙度值Ra与滚珠直径rw负相关。滚珠直径可根据管径和具体实验效果进行选取，本文选取滚珠直径为2 mm。

（3）顶销。液性塑料只能承受表面力与体积力，故须在滚珠与液性塑料之间安置顶销，使点接触传力转变为面接触传力。

根据赫兹接触理论可知[7]：

（4）

式中：σHmax—最大接触应力；r1—滚珠半径；r2—顶销半径。

考虑到小管空间有限，r2不宜过大，故笔者取r2=1.5 mm。

（4）液性塑料。液性塑料与顶销直接接触，为保证受力均匀减少泄露，此处取直径r3=1.5 mm。同时，为了减少压力损失，笔者采用U形等截面结构，过渡部分采用圆弧过渡。

3 新型滚压刀具的滚压力仿真

3.1 滚压刀具电磁场分析

笔者将上述所建立好的刀具模型导入Ansoft Maxwell，在瞬态场下进行磁路仿真。

所获得的滚压磁力仿真图如图3所示。

图3 滚压磁力仿真图

从图3可以看出：（1）磁力线分布较为合理，漏磁较少；（2）仿真后刀具单磁极径向压力Fn始终保持在92.72 N左右。

径向压力Fw为：

（5）

式中：N—单磁极滚珠个数；Kw[8]—工况系数，取2.4。

根据式（5）可计算出单个滚珠的径向压力Fw=111.26 N。

工件最小滚径向滚压力Pn为[9]：

（6）

式中：d—滚压过盈量；σ—材料屈服极限，取207 MPa；μ—材料泊松比，取0.31。

根据式（6）可求得工件的最小滚压力为41.65 N。

由Fw>Pn可知，滚压力高于工件最小滚压力，故满足加工要求。

3.2 滚压刀具瞬态场分析

图4 工件内壁应力分布图

由图4可知：工件内表面局部应力可达216 MPa～278 MPa，高于工件屈服应力207 MPa，故可知滚压力合适，刀具结构合理。

3.3 滚压刀具流场分析

刀具实际工况十分复杂，传力涉及固流双向作用，为简化模型以提高建模的针对性，笔者以液性塑料为研究对象，利用Fluent进行流场分析。

Fluent仿真分析参数设置如下：

（1）液性塑料采用高粘度液压油[10]代替，其密度为875 kg/m3,动力粘度取1.34×10-6kg/m·s；

（2）模型运算采用标准模型进行运算，计算方法采用SIMPLE算法，求解离散方程组；

（3）入口边界条件如表2所示。

表2 入口边界条件

表2中，A组为工件预应力条件下的工况，B组为模拟工况变化时，引起滚压力变化的情况。

为探究控制体的应力分布情况和传力响应速度，笔者截取控制体的应力瞬时分布图，如图5所示。

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图5 控制体应力瞬时分布图

从图5可以看出：当滚压力发生变化时，由于液性塑料的均匀传力，使得两滚珠工作压力趋于平衡，当t=0.008 s后应力分布稳定，不再发生明显变化，工件受力均匀，响应速度较快。

4 试验及结果分析

4.1 试验内容

（1）试验目的：采用内置液性塑料式磁力滚压刀具对不锈钢管进行试验，与第二代磁力滚压刀具的加工效果进行对比，以验证其滚压性能。

（2）试验装置：磁力滚压加工实验平台如图6所示。

（3）加工对象：304不锈钢管。

（4）测量装置：TR200手持式粗糙度仪。

图6 磁力滚压加工实验平台1-变频器；2-进给电机；3-工件；4-丝杠；5-滚压油；6-电机；7-磁场发生器

ASMB6-60静态应变仪。

（5）试验参数：试验工艺参数如表3所示。

表3 试验工艺参数

4.2 结果分析

笔者使用手持式TR200粗糙度仪测量加工前、后工件内壁粗糙度值Ra，粗糙度值比较如表4所示。

表4 粗糙度值比较

笔者使用ASMB6-60静态应变仪测量加工前后工件内表面残余应力，残余应力比较如表5所示。

表5 残余应力比较

由表（4,5）可知：使用内置液性塑料式磁力滚压刀具，可使得不锈钢管内壁Ra由0.828降低到0.187，各采样点粗糙度值分布较为均匀，有效降低了工件内表面残余应力；同时，周向残余应力分布更优，加工效果明显优于第二代滚压刀具。

5 结束语

本文针对磁力滚压加工过程中出现的载荷传力不均的问题，提出了一种内置液性塑料式新型滚压刀具；通过对磁力滚压加工进行理论剖析和有限元仿真，结果表明：内置液性塑料式新型刀具结构合理，滚压力满足加工要求，传力响应较快；

本文利用磁力滚压加工试验平台对新型刀具的加工效果进行了验证，结果显示：新型刀具加工后试件粗糙度Ra由0.828降低到0.187，残余应力进一步降低；同时，周向残余应力分布均匀，较第二代刀具有明显提升。

本文为后续的磁力滚压工具的试验研究提供有效的指导和借鉴。